Üç Hücreli Yakıt Pili Yığını Testleri

Tek hücre ile yapılan testlerden sonra sırası ile kaplamasız, hidrofobik ve hidrofilik kaplamalı bipolar plakalı pillerin montajı ve performans testleri gerçekleştirilmiştir. Şekil 29’de 3 hücreli montajı yapılmış deney yakıt pili gösterilmektedir.

Tablo 5. Üç hücreli yakıt pili yığınının genel özellikleri

Önce kaplamasız plakaların montaj işlemleri tamamlanmıştır. Yakıt pilinin tek bir hücre yerine 3 hücreli yığın şeklinde de incelenmesinin sebebi; su baskınıyla tıkanan kanallardaki reaktan gazların diğer hücrelere geçemeyecek olması ve bunun da yüksek kapasiteli sistemlerde (örneğin 25 yığın şeklinde 1 kW lık güç üretim sistemi) pil performansında ciddi düşüşler meydana getirmesidir. 3 hücreli pil yığının genel özellikleri ve işletme şartları Tablo 5 de verilmiştir.

4.4.1. Kaplamasız Bipolar Plaka Performansı

Potansiyel – Akım (V-I) grafiğinde 0,4-0,7 V arasındaki bölge ohmik kayıpları göstermektedir. Ohmik (direnç) kayıplar ise membrandaki iyon akışına (hareketine) ve elektriksel olarak iletken yakıt pili bileşenleri aracılığıyla elektron hareketine karşı direnç nedenleriyle oluşur ve bu kayıp genellikle H + iyonlarının membrandan geçişinin engellenmesinden kaynaklandığı bilinmektedir. Çoğunlukla polimer membran nemlilik durumuna bağlıdır. Membranın ise ne aşırı nemli olması ne de kuru olması istenmektedir. Pil çalışma sıcaklığının artması ile performansı artarken, sıcaklığın azalması ile birlikte yakıt pil performansı kötüleşmektedir. Bu durumun temel nedeni elektrokimyasal reaksiyonlara ait akım yoğunluklarının pildeki anot ve katot kısımlarındaki katalizör katmanlarının sıcaklığının artışı ile birlikte artması ve bununla beraber gaz difüzyonunu da arttırmasıdır. Şekil 30(a)’da 1,5 V değerine kadar maksimum akım 60°C sıcaklığında elde edilmiştir. Sıcaklığın artması ile artan reaksiyonlar sonucunda oluşan su, yüksek akım değerlerinde 1,5 V dan sonra performansı düşürmüştür.(Şekil 30(b)) Şekil 31(a) ve 31(b) de sabit pil ve nemlendirme sıcaklıklarında değişken H2/O2 debilerinin pil performansına etkisi görülmektedir. Yaklaşık 2 V pil potansiyeline kadar 1.07 L/dk-1.1 L/dk. H2/O2 debilerinde en performans elde edilirken, yüksek akımda ise bu debi değerlerinde performans 1.29L/dk-1.1 L/dk. ye göre daha düşüktür. Yani katot tarafı O2 debisinin artması performansı düşürürken, anot tarafındaki H2 debisinin artması ise yüksek akım değerlerinde daha etkin olmuş, performansı arttırmıştır.

Hücre sayısı 3

Aktif alan 3x50 cm2

Sıcaklık Değişken

Basınç 1 bar

Akış debisi H2=değişken

O2=değişken Soğutma yöntemi Hava soğutmalı

Toplam ağırlık 2350 g

(a) (b)

Şekil 30. Kaplamasız yığında 430/370L/dk. H2/O2 debisinde ve 60°C nemlendirme sıcaklığında pil sıcaklığının etkisi (a)V-I ,(b) W-I eğrileri

Aynı zamanda grafikten de görüleceği üzere 1.6 V değerinden sonra düşük 0.825 L/dk. O2 debisinde akım değerlerinde dalgalanmalar ve düşüşler vardır. Nedeni ise yüksek akımda artan reaksiyonlara yetersiz kalan O2 miktarı olduğu söylenebilir.

(a) (b)

4.4.2. Hidrofobik Özellikte Bipolar Plaka Performansı

Yakıt pili testleri esnasında artan sıcaklıkla birlikte reaksiyon için gerekli olan aktivasyon enerjisinin azalması ve performansın artması beklenir. Ancak kaplamasız bipolar plakalı pil yığınında 60°C sıcaklığa ulaştığında yüksek akım değerlerinde performans düşüklüğü görülmüştür. Nedeni ise oluşan suyun uzaklaştırılamaması olduğu düşünülmektedir. Aynı işletme şartlarında bu deneyler hidrofobik malzeme SiO2 kaplamalı bipolar plakalı yakıt pili yığınında yapıldığında sıcaklığın artması ile performansın arttığı görülmektedir(Şekil 32(a)-Şekil 32(b)). Bu da yüksek akım değerlerinde sıcaklığın artması ile artan reaksiyonlar sonucunda oluşan suyun kaplamasız plakalı yığına kıyasla hidrofobik yüzeyde daha kolay uzaklaştırılabildiği ve dolayısıyla daha yüksek performans elde edildiği anlamına gelmektedir.

(a) (b)

Şekil 32. Hidrofobik kaplamalı yığında 430/370L/dk. H2/O2 debisinde ve 60°C nemlendirme sıcaklığında pil sıcaklığının etkisi (a)V-I ,(b) W-I eğrileri

Şekil 33(a) ve 33(b) de sabit pil ve nemlendirme sıcaklıklarında değişken H2/O2 debilerinin pil performansına etkisi görülmektedir. Sabit H2 debisi ele alındığında O2 debisinin azalması daha düşük akım değerleri elde edilmesine neden olmuştur. Sebep olarak ise yine katot tarafında oluşan suyun süpürülmesine ve artan reaksiyon hızına yetersiz kalan O2 gösterilebilir. Sabit O2 debisi ele alındığında ise H2 debisinin yüksek olması avantaj olarak görülmektedir. Ayrıca kaplamasız plakalı pil yığınında yüksek akım değerlerinde V-I eğrisinde görülen dalgalanmalar hidrofobik kaplamalı bu yığında görülmemiş, daha stabil akım değerleri elde edilmiştir. Bu da yine hidrofobik kaplamalı pil yığının daha uygun su yönetimi gerçekleştirdiği anlamına gelmektedir.

(a) (b)

Şekil 33. Hidrofobik kaplamalı yığında 60/ 60°C nemlendirme-pil sıcaklığında. H2/O2 debilerinin etkisi (a)V-I ,(b) W-I eğrileri

4.4.3. Hidrofilik Özellikte Bipolar Plaka Performansı

Hidrofilik kaplamalı PEM yakıt pili yığını testlerinde %100 nemli gaz beslemelerinde sonuç alınamamıştır. Zamana bağlı çekilen akım değerlerinde sabit kararlı değer elde edilmesi gerekirken, ani düşüşler meydana gelmiştir. Aşağıdaki Şekil 35’de 1700-2600sn zaman aralığında akım ve güçteki bu düşüşler net olarak görülmektedir. Sonuç olarak kanalların filik yapısı ve ayrıca gazların %100 nemli gönderilmesi tıkanıklığa (su baskınına) sebep olmuştur. Şekil 34’de test sonrasında açılan yakıt pili yığınının katot bipolar plakası akış kanallarında biriken ve performanstaki ani düşüşlere sebep olan fazla su görülmektedir.

Şekil 35. %100 nemli beslemede hidrofilik 3 hücreli pil yığınının zamanla değişen Akım/Gerilim diyagramı Bu nedenle önce %60 bağıl nem değerinde daha sonra ise kuru gaz beslemesi ile testler yapılmıştır. Şekil 36’de görülen 3000-5800 sn aralığında %60 değerinde de düşüşler biraz daha yatay olacak şekilde meydana gelmiş ve akım değerleri ölçülememiştir. Ardından aşağıdaki grafikte 5800-7000 sn aralığında da görüleceği üzere %0 nem ile kuru besleme şartında düşüşler yine gerçekleşmiş ancak sonra sistem kararlı hale gelip akım ve güç değerleri ölçülebilmiştir. Kuru gaz besleme şartı kaplamalı, hidrofobik ve hidrofilik özellikteki pil yığınları performans kıyaslamasında deneylerin başında belirlediğimiz işletme şartı olmadığından, bu 3 pil yığını için performans kıyaslaması yapılamamıştır. Ancak %100 nemli besleme ile hidrofilik yığında gerçekleşen potansiyel düşüşleri akım alınamaması Şekil 35 ve Şekil 36 da gösterilmiştir.

Sonuç itibari ile 3 pil yığını için yapılan testlerde su yönetimi açısından en iyi performans hidrofobik PTFE kaplamalı yakıt pili yığınında elde edilmiştir.

Şekil 36. %60 nemli ve kuru beslemeli hidrofilik 3 hücreli pil yığınının zamanla değişen Akım/Gerilim diyagramı